拼接式集成滤光片的研制

李得天，王多书，王济洲，董茂进，李凯朋

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

0 引言

地球上物体吸收、发射和反射的电磁波不可避免的携带有物体的多种信息，包括物体的成分、颜色、状态等。遥感是通过探测地表物体反射或发射的电磁波，获得物体的信息，最终实现远距离物体识别。空间光学遥感技术具有分辨率高、直观等特点，在环境监测、资源开发、减灾防灾、农林调查、城市规划等方面具有广泛应用。随着全谱段多光谱（高光谱甚至超光谱）成像和紫外探测技术的发展，空间光学遥感技术在国家安全、农业、灾害、资源及环境等方面的应用越来越广泛[1]。

空间光谱成像在目标二维空间信息基础上同时采集光谱特性、偏振特性等多维信息，能够大幅提高对目标的探测和识别能力。典型的空间光谱成像系统主要有光学相机、扫描仪以及光谱成像仪等，按照光谱分辨率不同，光谱成像仪可分为多光谱成像仪（Multispectral，分辨率0.1λ）、高光谱成像仪（Hyperspectral，分辨率0.01λ）以及超光谱成像仪（Ultraspectral，分辨率0.001λ）。光谱成像仪是在扫描仪等传统的成像技术、光谱分光技术、大线阵和大面阵探测器基础上发展起来的，其分光装置将入射光波分成几十个甚至上百个窄波段分别成像，每个波段均可对同一地面目标采样点成像，随着窄波段数增加，采样点获得的光谱几近连续，因而可以获得按光谱顺序排列的地面目标的“像立方”，通过“像立方”不仅可以获得地面目标某一波段的成像图，还可以得到某个地面目标的近连续光谱图，其所含信息量极为丰富。目前空间光谱成像仪仍处于多光谱成像仪研制与应用阶段。

空间光谱成像技术发展呈现的趋势有：（1）信号探测单元由胶片逐步过渡到光电探测器，探测器开始使用长线阵甚至大面阵类型；（2）波段细分程度越来越高；（3）工作谱段从可见范围逐步向紫外、红外两端延伸，已经覆盖了全谱段范围；（4）光谱分辨力越来越高，逐步由单纯几何成像向几何成像与光谱成像结合的方向发展。

对入射光分光是各类光谱成像仪工作的关键步骤，通过分光可以实现谱段的细分，从而实现光谱成像。截至目前，各类光谱成像仪采用的分光方式主要有光学薄膜分光、光栅分光以及迈克尔逊分光。相比较而言，光学薄膜分光最简单，通常只需要一片或几片滤光片或分色片即可完成，但由于制作工艺限制，光谱分辨能力提升难度较大。随着光谱成像仪的不断发展，采用光学薄膜分光的技术也不断发展，由最初的分色片、单通道滤光片等模式逐步发展到多通道集成分光模式，集成滤光片是光谱成像仪焦平面分光的关键器件。综合来看，集成滤光片有多种制备方式，其中拼接式集成是空间应用相对可行的一种[2-8]，其设计、制备有较大难度。针对该问题，开展了拼接式集成滤光片的研制。

1 理论基础、仪器及设备

拼接式集成滤光片采用镀膜加拼接的方式制作，制作过程中先分别镀制各通道窄带滤光片，然后采用侧面拼接的方式实现集成。

1.1 窄带滤光片设计

各通道窄带滤光片设计采用长波通+短波通膜系结构构成通带。通常情况下，无论长波通还是短波通膜系可采用以下方法进行设计。根据要求，选择基底和膜层材料，采用（0.5HL0.5H）m或（0.5LH0.5L）m的膜系构建主膜系，用式（1）计算截止范围，由式（2）根据截止深度要求确定m值，最终经过局部膜层厚度优化，实现全部光谱指标。式中：lc为截止波长；nH和nL分别为高/低折射率材料折射率；l0为中心波长；Tr为透射率；m为膜系结构的周期数。

1.2 仪器与设备

镀膜过程采用离子束辅助的电阻蒸发方法，滤光片膜系主要采用规整膜系+部分膜层优化的方式，因而膜层监控采用石英晶振监控和光学监控相结合的膜厚控制方法。膜层镀制在自研的长波红外镀膜设备上进行。

采用无衬底拼接的方式进行窄带滤光片的拼接集成。各滤光片厚度约1.2 mm，宽度1～1.3 mm，拼接精度要求很高，因而拼接过程采用了自行研制的涂胶和拼接装置。采用涂胶工装（如图1）可以实现在1 mm宽的滤光片侧面均匀涂胶。拼接工装（如图2）可以对各通道滤光片的位置、对准、共面度等进行精确调整，调整精度在微米量级。拼接过程中，完成四通道窄带滤光片的镀制后，采用涂胶工装分别在各通道滤光片侧面涂胶（采用双组分环氧低温胶），然后利用拼接工装依次将各通道滤光片沿侧面粘接起来，通过调整旋钮可以调整拼缝宽度、平行度及各滤光片共面度等，在烘烤条件下实现胶固化拼接。

图1 涂胶工装示意图Fig.1 Schematic diagram of gelatinize tooling

图2 拼接工装示意图Fig.2 Schematic diagram of assemble tooling

光谱测试采用PE Optic Frontier低温红外光谱测试系统进行，测试光谱范围2.5～25.0µm，由光谱可分析得到滤光片的半功率点波长、通带宽度、平均透过率、陡度、抑制带截止深度和热窗的平均透过率值等光谱参数。由于该拼接集成滤光片与红外探测器集成在一起，因此各通道窄带滤光片工作温度在约60 K低温条件下。实际测试光谱过程中，采用低温杜瓦瓶调节滤光片的温度，依次可实现常温至77 K各温度点的光谱[9-10]，并由此推测出60 K温度下的光谱性能。

2 拼接式集成滤光片设计与镀制

研制的拼接滤光片工作谱段在长波红外，要求在8.01～12.5μm谱段分出4个通道，各通道均为窄带滤光片，工作波段依次为8.01～8.39μm、8.42～8.83μm、10.3～11.3μm及11.4～12.5μm。在研制过程中，先制作各窄带滤光片，再拼接形成集成滤光片，因此拼接式集成滤光片设计主要包括结构和各窄带滤光片的设计。

2.1 拼接式集成滤光片结构设计

拼接式集成滤光片采用各通道滤光片侧面拼接的结构，按照研制要求，各通道窄带滤光片尺寸设计为：通道1（LW1）和通道4（LW4）在两边，尺寸为：29.5（±0.02）mm×1.63（±0.02）mm×1.2（±0.02）mm；通道2（LW2）和通道3（LW3）在中间，尺寸为：29.5（±0.02）mm×1.36（±0.02）mm×1.2（±0.02）mm，拼接后整体结构如图3所示，其中各滤光片基底材料采用Ge。

图3 拼接式集成滤光片结构设计示意图Fig.3 Schematic diagram of long stripe assembled filter

2.2 窄带滤光片设计

（1）8.01～8.39μm窄带滤光片

考虑到探测器响应波长范围，除通带外7.0～9.0μm间其余光全部截止。基片采用锗，7.0μm前不需考虑，其余须由膜系截止。采用长波通+短波通膜系结构。膜层材料采用PbTe（H）与ZnS（L），由于PbTe在3.2μm前全部吸收，因此膜系只考虑在3.2μm后9.0μm前除通带外的截止。考虑到低温漂移，通带应设计为7.680～8.209μm。最终设计膜系结构为：空气|（0.5HL0.5H）9|基片|（0.5LH0.5L）9|空气，长波通膜系截止带中心波长为5.44μm，短波通膜系截止带中心波长为10.58μm。设计的光谱透射率曲线如图4所示。平均透射率达到80%以上，截止区截止深度低于0.5%，长波侧和短波侧陡度均小于或等于2.0%，带宽0.397μm，通带波纹深度小于0.1TP。

图4 8.01～8.39 μm窄带滤光片设计光谱图Fig.4 Transmission spectrum curve of design for 8.01～8.39 μm narrowband filter

（2）8.42～8.83μm窄带滤光片

考虑到探测器响应波长范围，除通带外7.0～9.0μm间其余光全部截止。基片采用锗，7.0μm前不需考虑，其余须由膜系截止。采用长波通+短波通膜系结构。膜层材料采用PbTe（H）与ZnS（L），由于PbTe在3.2μm前全部吸收，因此膜系只考虑在7.0μm后9.0μm前除通带外的截止。考虑到低温漂移，通带应设计在8.076～8.755μm。最终设计膜系结构为：空气|（0.5HL0.5H）9|基片|（0.5LH0.5L）9|空气，长波通膜系截止带中心波长为5.7μm，短波通膜系截止带中心波长为11.32μm。设计膜系的光谱透射率曲线如图5所示。平均透射率达到80%以上，截止区截止深度低于0.5%，长波侧和短波侧陡度均小于或等于2.0%，通带波纹深度小于0.1TP。

图5 8.42～8.83 μm窄带滤光片设计光谱图Fig.5 Transmission spectrum curve of design for 8.42～8.83 μm narrowband filter

（3）10.30～11.30μm带通滤光片

考虑到探测器响应波长范围，除通带外7.0～15.0μm间其余光全部截止。基片采用锗，7.0μm前不需考虑，其余须由膜系截止。采用长波通+短波通方式构成通带。由于通带前截止带很宽，膜层材料采用PbTe（H）与ZnS（L），H表示高折射率材料，L为低折射率材料。由于PbTe在3.2μm前截止，因此膜系只考虑7.0～15.0μm之间除通带外的截止。考虑到低温漂移，通带应设计在9.88～11.15μm。最终设计膜系结构为：空气|（0.5HL0.5H）9|基片|（0.5LH0.5L）11|空气，长波通膜系中心波长为7.04μm，短波通膜系中心波长为14.14μm。设计膜系的光谱透射率曲线如图6所示。可以看出，平均透射率在80%以上，截止深度低于0.5%，长、短波侧陡度小于1.5%，通带波纹深度小于0.1TP。

图6 10.30～11.30 μm带通滤光片设计光谱图Fig.6 Transmission spectrum curve of design for 10.30～11.30 μm narrowband filter

（4）11.40～12.50μm带通滤光片

考虑到探测器响应波长范围，除通带外7.0～15.0μm间其余光全部截止。基片采用锗，7.0μm前不需考虑，其余须由膜系截止。采用长波通+短波通方式构成通带。由于通带前截止带很宽，膜层材料采用PbTe（H）与ZnS（L），H表示高折射率材料，L为低折射率材料。由于PbTe在3.2μm前截止，因此膜系只考虑7.0～15.0μm之间除通带外的截止。考虑到低温漂移，通带应设计在10.906～12.350μm。最终设计膜系结构为：空气|8.187（0.5HL0.5H）11|基片|16.025（0.5LH0.5L）11|空气，设计膜系光谱透射率曲线如图7所示。可以看出，平均透射率达到80%以上，截止区截止深度低于0.5%，长波侧和短波侧陡度均小于或等于1.5%，通带波纹深度小于0.1TP。采用离子辅助的电阻蒸发方法对上述设计膜系进行了镀制，镀制过程中本底真空度5×10-3Pa，沉积温 度150℃左右，离子束辅助气体流量17 mL/min。

3 测试及环境试验结果

采用PE Optic Frontier低温红外光谱测试系统对镀制四种窄带滤光片进行了光谱测试，测试透射光谱测试曲线如图8所示，各指标如表1所列，所有技术指标满足要求。图中给出了常温和低温条件下测试的光谱，结果显示低温条件下光谱满足指标要求。

对四种窄带滤光片进行了拼接，采用涂胶工装和拼接工装进行拼接尺寸及精度的调整，然后在真空和高温条件下经过粘接胶固化，真空度1～10 Pa，温度约70℃。采用万能工具显微镜对于拼接后的集成滤光片进行测试，最小拼缝宽度为10.0 μm，拼缝平行度达到2.0 μm。各项指标达到要求，拼接后的集成滤光片实物如图9所示。

表1 四种窄带滤光片实测技术指标Table1 Test results of 4 kinds of narrowband filters

图9 拼接集成滤光片图Fig.9 Picture of 4-channel IR long stripe assembled filter

为了验证集成滤光片的空间环境适应性能，进行了附着力试验、耐交变湿热性（抗湿性）试验、可溶性和耐清洗性能试验、水溶性试验、高低温循环试验、抗辐照试验以及力学试验等应用环境耐久性试验和空间环境模拟试验，试验结果显示，试验后膜层表面质量完好，各通道滤光片光谱无明显漂移，光谱形状无明显变化，集成滤光片拼接状态良好，能够满足空间使用要求。目前，研制的产品已经在空间某光谱成像仪上得到应用，验证了研究结果在空间应用的可行性。

4 结论

在分析光谱成像技术及集成光学薄膜技术的基础上，针对拼接式集成滤光片开展了研制。采用长波通+短波通膜系对各通道窄带滤光片进行了设计，采用离子束辅助的阻蒸方式对各通道窄带滤光片进行了镀制，并利用自行研制的涂胶工装和拼接工装进行了拼接，最终对拼接集成滤光片进行光谱性能、拼接性能以及空间环境适应性能等的测试和验证。结果表明，长红外拼接式集成滤光片光谱性能满足使用要求，通带宽度最窄达到402 nm，透射率达到83%以上。拼接后最小拼缝宽度为10μm，拼缝平行度达到2μm，各项拼接性能指标达到要求。环境试验结果表明，该集成滤光片能够承受7项耐久性和空间环境模拟试验考核，飞行试验结果表明，研制的长波红外拼接式集成滤光片能够在空间应用。